Чудеса и катастрофы Вселенной - Железняк Галина (бесплатные серии книг .txt) 📗
Сама возможность существования черных дыр была (да и остается) настолько впечатляющей, что взволновала умы не только физиков, но и литераторов, философов и художников. Однако долгое время этот великолепный образ-миф не рассматривали как природное явление и не связывали его с реальным положением дел во Вселенной.
Теория черных дыр пестрит белыми пятнами. По мнению исследователей, взявшихся встряхнуть и перевернуть один из интереснейших разделов астрофизики, это связано с тем, что Вселенная значительно отличается от той гипотетической модели, которую рассматривал Шварцшильд. Фактически это означает, что теорию Эйнштейна нужно пересмотреть с точки зрения полученных знаний в области квантовой физики.
Мазур и Мотолла, взявшись за теорию дыр, привлекли к анализу теорию квантовой гравитации. Они начали с вопроса: какова природа квантовых флуктуаций (колебаний) в космических, временных и энергетических полях? Ведь, по сути «пустое место», каковым обыватели считают космос, на самом деле таковым никогда не являлся. Как говорит Моттола, люди подобно рыбе в тихой воде, не задумывающейся о существовании и движении молекул воды, никогда не ощущают своего постоянного пребывания в квантовой среде. По мнению Моттолы, квантовые флуктуации в электромагнитных полях могут оказывать воздействие на такие колоссальные объекты, как черные дыры. Революционность теории в том, что все предшествующие модели черных дыр рассматривались без такого кардинального фактора, как квантовые поля, и расчеты велись для идеальной, не существующей черной дыры в несуществующем бес-квантовом пространстве-времени.
Среди белых пятен черных дыр, возникших по причине неправильного понимания модели, называют теорию энтропии звезды. Когда звезда превращается в черную дыру, вся уникальная информация о ней, например ее химическом составе, сбрасывается со счетов. Современная теория черных дыр допускает, что они обладают колоссальным количеством энтропии — в миллиарды раз превышающей энтропию самой звезды. Никто гак до сих пор и не объяснил природу, источник и местонахождение этой экстраэнтропии.
Еще одна загадка — это приписываемое черным дырам свойство наделять фотоны колоссальным объемом энергии к моменту, когда фотон достигает горизонта событий. Но в классической теории гравитационный эффект этого колоссального количества энергии игнорируется.
Итак, теория гравастар Моттолы — Мазура предлагает разрешить разногласия между приверженцами теории черных дыр и фундаментальной физикой, устранив очевидные противоречия. Физики-новаторы рассмотрели вероятность того, что после взрыва звезды под воздействием квантового эффекта появляется тело, имеющее принципиально иную природу, нежели дыра.
Мазур и Мотолла предположили, что когда вокруг коллапсирующей звезды формируется горизонт событий, сильнейшее гравитационное поле деформирует квантовые колебания в пространстве-времени. Эти колебания могут стать настолько мощными, что как раз они и способны производить эффект, подобный эффекту конденсата Бозе — Эйнштейна. Этот эффект становится причиной образования чего-то наподобие «пузыря», окруженного тонкой сферой — оболочкой гравитационного поля, которая относительно статична.
Существование гравастар не противоречит известным математическим аксиомам. В отличие от черных дыр (по крайней мере, это касается ее оболочки), природа вещества, находящегося под ней, пока неизвестна даже гипотетически. По новой теории, не существует и горизонта событий (вместо него — оболочка), а энтропия гравастар гораздо меньше, чем предполагаемая энтропия черных дыр.
Ученые предлагают рассмотреть гипотетически гравастар в 50 масс Солнца. Подобно горизонту событий сопоставимой по размеру черной дыры диаметр оболочки гравастар будет 300 километров, однако ее «толщина» составит приблизительно 10–35 метров. Чайная ложка вещества, составляющего его, будет весить 100 млн тонн.
Также отмечается, что теория гравастар поможет по-новому рассмотреть проблему расширяющейся Вселенной. Большинство астрофизиков считает, что Вселенная расширяется благодаря некой мистической «темной энергии», которая создает идущее вовне давление.
По мнению Мотоллы, давление, идущее изнутри гравастар, сопоставимо с силой, с которой расширяется Вселенная. Можно предположить, что Вселенная представляет собой одну большую гравастар, «поймавшую в ловушку» Млечный Путь и другие видимые галактики. То есть все небесные тела помещены в некое тело, имеющее оболочку. О том, не значит ли это, что наша Вселенная как раз и находится в зоне искривления пространства-времени, исследователи говорить пока не спешат.
На рентгеновских снимках орбитальной обсерватории «Chandra» впервые было обнаружено устойчивое излучение из супермассивной черной дыры, находящейся в группе галактик Персея, расположенной в 250 млн световых лет от Земли. В 2002 г. астрономы получили данные, которые показывают пульсации в газе, окружающем эту группу галактик. Andrew Fabian — лидер группы данных исследований.
Довольно долго астрономы пытались понять, почему так много горячего газа в группах галактик. Сейчас считается, что нагрев, вызванный излучением центральной черной дыры, предохраняет окружающий газ от охлаждения. Хотя само явление было ранее обнаружено в радиоволновом диапазоне, этот эффект в окружающем газе был непонятным. Предшествующие наблюдения «Chandra» в Персее показывали две обширные полости в окружающем газе, расширяющиеся от центральной черной дыры. Струя выброса в обе стороны от центральной черной дыры сформировала рентгеновские полости, которые являются яркими источниками радиоволн. Значительная часть энергии принесена волнами от черной дыры и должна рассеиваться в окружающем газе. Можно сказать, что в 2002 г. рентгеновская орбитальная обсерватория «Chandra» впервые «услышала» черную дыру!
Историю черных дыр надо рассказывать с 1795 г., когда Пьер Симон Лаплас предсказал: «Светящаяся звезда с плотностью, равной плотности Земли, и диаметром в 250 раз больше диаметра Солнца не дает ни одному лучу достичь нас из-за своего тяготения, поэтому возможно, что самые яркие небесные тела во Вселенной оказываются по этой причине невидимыми».
Само название черная дыра появилось в 1968 г. Его в популярной статье ввел Уиллер, и оно мгновенно прижилось, заменив собой использовавшиеся до того термины коллапсар и застывшая звезда.
Черной дырой называется область пространства-времени, в которой гравитационное поле столь сильно, что ни один объект (даже свет) не может вырваться из нее. Из области пространства-времени черной дыры невозможно никакое сообщение с внешней по отношению к ней Вселенной. У черной дыры нет поверхности как таковой, но есть граница, которая называется горизонтом событий. Размеры горизонта событий для невращающейся незаряженной черной дыры определяются формулой для гравитационного радиуса.
Мы не имеем никаких наблюдательных данных о внутренней структуре черных дыр, так как никакое сообщение изнутри поступить к нам не может. Мы не знаем, что произойдет с телом после того, как оно пересечет горизонт событий, кроме того, что тело будет продолжать падать и падать. Как и всякое массивное тело, черная дыра отклоняет световые лучи, проходящие вблизи нее. Но обладая очень сильным гравитационным полем, черная дыра и лучи отклоняет чрезвычайно сильно. Поэтому если близко от нас на луче зрения оказалась бы черная дыра, то вся открывающаяся перед нами картина исказилась бы. Все «стандартные» уравнения современной физики перестают действовать вблизи центра черной дыры, под горизонтом событий.
С другой стороны, черные дыры являются чрезвычайно простыми. Черная дыра описывается всего тремя параметрами:
— массой М (шварцшильдовская черная дыра);
— моментом импульса J (керровская черная дыра);
— электрическим зарядом Q (черная дыра Керра — Ньюмана).
Знание этих характеристик дает нам полную информацию о черной дыре.
Эволюция звезды на поздних стадиях зависит от ее массы. Если она не превышает 1,2–1,4 М (чандрасекхаровский предел), то звезда становится белым карликом. Сильное тяготение белого карлика уравновешивается давлением вырожденного электронного газа. Предполагают, что в нашей Галактике около миллиарда белых карликов.
